基于 TOP244 的开关电源设计

黄飞

1. 开关电源与 TOP

2. 基于 TOP 的电路设计

3. 本次电源设计心得，后语

1. 开关电源与 TOP

开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止．将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比５０ＨＺ高很多．所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热 . 成本很低．如果不将５０ＨＺ变为高频那开关电源就没有意义。开关变压器也不神秘．就是一个普通的变压器 . 这就是开关电源 .

简单地说 , 开关电源的工作原理是 :

1. 交流电源输入经整流滤波成直流 ;

2. 通过高频 PWM( 脉冲宽度调制 ) 信号控制开关管 , 将那个直流加到开关变压器初级上 ;

3. 开关变压器次级感应出高频电压 , 经整流滤波供给负载 ;

4. 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路 , 控制 PWM 占空比 , 以达到稳定输出的目的 .

开关电源自 20 世纪 70 年代开始应用以来，涌现出许多功能完备的集成控制电路，使开关电源电路日益简化，工作频率不断提高，效率大大提高，并为电源小型化提供了广阔的前景。早期的三端离线式脉宽调制单片开关集成电路 TOP 将 PWM 控制器与功率开关 MOSFET 合二为一封装在一起，已成为开关电源 IC 发展的主流。采用 TOP 开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。 TOP24X 系列开关电源芯片是目前使用的比较多的控制芯片。

TOP 24X 系列开关电源芯片的命名和封装 1 ． TOP 24X 开关电源的基本原理

按封装形式， TOPSwitch-GX 分为三种类型：

（ 1 ） Y 型：采用单列直插 TO-220-7C 封装；

（ 2 ） P 型：采用双列直插式 DIP-8B 封装；

(3) G 型：采用表面帖封式 SMD-8B 封装。Y 型封装需外加散热器， P/G 型封装可借助印刷板上公共地区域来代替散热器，将

S 极焊接在敷铜板上。

漏极管脚 (D): 高压功率 MOSFET 漏极输出。 控制管脚 (C): 用于调节占空比的误差放大器 源极 管 脚 (S): 将其连接至输出 MOSFET 源极可得

到高压功率回馈。 L ：为输入电压的欠压与过压检测端，该端同时还具有远程遥控功能。

F ：开关频率选择端。当 F 端接到源极时，其开关频率为 132kHz ，而当 F 端接到控制端时，其开关频率为 66kHz 。

X ：外部电路流定调整端。在 X 端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值。若 R1=12kΩ ，则流过开关的电流被设定为额定值的 69% ；若 R1=6kΩ ，则为额定值的 90% ；也就是说，随着 R1值的增大，开关允许流过的电流随之减小。

此外， TOP switch-GX 系列开关也可以当作一般的三端 TOP 器件使用，只要在使用时将 L、 X、 F 端同时与源极相接即可。但此时新增用户可配置的功能将全部失效。

P、 G 封装的 TOP switch-GX 系列开关没有 X、 F 端，但新增有 M 端，其功能与 Y 封装中的 L 端的功能相同。

若在 L 端与输入电压正端接入 2MΩ 的电阻，那么，其

欠压保护值为： Vuv=100VDC 过压保护值为： Vou=450VDC

产品主要有如下性能特点：输出功率 250W ；外围电路简单，成本低；在极低压或过冲情况下能充分集成软启动；外部可编程精确电流限制的高效率，低成本设计和功率可限电路； 线性欠压保护，无关断干扰。

TOP 24X 系列开关电源芯片的内部结构

芯片内部工作原理： 电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电

流源向控制极充电，在 Rs两端产生压降，经 RC滤波后，输入到 PWM 比较器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比较，产生脉宽调制信号并驱动MOSFET 管，因而可通过控制极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压 Uc 达到 5.8V 时，内部高压电流源关闭，此时由反馈控制电流向 Uc 供电。

在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反馈控制环，调节输出级 MOSFET 的占空比以实现稳压。当输出电压升高时， Uc升高，采样电阻 Rs 上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比较后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于 4.8V 时， MOSFET 管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内部高压电流源重新接通并向 Uc充电，其关断 / 自动复位滞回比较器可使Uc保持在 4.8～ 5.8V之间。当开关电源的负载很轻时，能自动将开关频率从 132kHz 降低到 30kHz(半频模式下则由 66kHz 降至 15kHz) ，可降低开关损耗，进一步提高电源效率。

由于 TOPSwitch 集成度高 ,设计工作主要针对外围电路进行 :外围电路可分为输入整流滤波电路 /钳位保护电路 / 变压器 / 输出整流滤波电路及反馈电路 5部分 .

TOP 24X 开关电源芯片的典型应用

反激式高频变压器的设计 此开关电源设计的关键之一是变压器的设计。在此电路中，变压器不是真正意义上的变压器，而更多的是一个能量存储装置。变压器的能量变化过程为：当 TOP 开关管导通时，电容 两端的电压加到反激变压器的一次侧，流过一次侧绕组的电流线性增加。 开关管导通的瞬间变压器二次侧电流不为零，则由于二次侧感应电势反向，二极管截止，二次侧电流变为零，然而磁心 内的能量不能突变，故一次侧电流跃变为二次侧电流的 1／ K ， K 为变压器变比），变压器储存能量；当 TOP 开关管关断时，电感一次侧电流由于没有回路 .此时，稳压管的击穿电压因高于一次侧的感应电势而截止而突变为零。变压器通过二次侧续流，二次侧电流为 TOP 开关管关断时一次侧电流的 K倍，二次侧绕组通过二极管对电容 充电，此后，流过变压器二次侧的电流线性下降。由上述开关过程分析得出：一次侧电流和二次侧电流不是同时流动的。因此它更多地被认为是一个带有二次侧绕组的电感。

2. 基于 TOP 的电路设计 2.1 输入整流滤波电路设计 整流滤波电路包括输入交流滤波、整流、电容稳压三部分。交流滤波可使用技术成熟的PI 型滤波电路 ,具体参数推荐如下 :去除差模干扰的 C301 和 C303 为 0.1uF/400v;去除共模干扰的 C302、 C304 为 2200pF/400v; 采取双线并绕，整流电路选择导通时间尽可能短 ,满足电流阈值的整流桥。

2.2 变压器设计由于该电源的输出功率较大 , 因此高频变压器的漏

感应尽量小 , 一般应选用能够满足 132kHz 开关频率的锰锌铁氧体 , 为便于绕制 ,磁芯形状可选用 EI或 EE 型 , 变压器的初、次级绕组应相间绕制。

高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量 ,因此计算较为复杂 , 为减轻设计者的工作量美国功率公司为 TOPSwitch 开关电源的高频变压器设计设计了一套软件，主要用这套软件设计变压器。

2.3钳位保护电路

每个开关周期内 ,TOPSwitch 的关断将导致变压器漏感产生尖峰电压。 D302 和 D303构成的钳位电路防止了此电压对 TOPSwitch的损坏 , D302 和 D303 的选择由反射电压VOR决定。 VOR推荐值 135V,D302钳位电压 VCLO 可由经验公式 VCLO=1.5VOR 得出 , D303 的耐压值应大于 VMAX 并选择快恢复二极管。 本设计中稳压管选用 P6KE200 ，二极管选用 BYV26C 。

由于 P6KE200 上并联 R302 和 C307 ，在正常工作时， R302几乎承担了所有的泄放能量，而在启动或超载的情况下， P6KE200又限制了尖峰电压不超过 TOP 中 MOSFET管的安全电压 o

2.4 反馈电路设计 反馈回路的形式依据输出电压精度而决定 , 本方案

使用的‘光耦 +TL4310’ 可以把输出电压 精度控制在 1% 。电压反馈信号经分压网络 (R326 ， R317)引入 TL431 的 Ref 端，获得取样电压后 , 将与 TL431 中的 2.5V 基准电压进行比较并输出误差电压 ,然后通过光耦改变 TOP244 的控制端电流 Ic,再通过改变占空比来调节输出电压 U 使其光耦（ PC817 ）工作在线性状态 , 起隔离作用。 R303 ， C308构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时 , 也能保持稳定。

2.5 输出整流滤波电路设计

输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的六分之一到五分之一 , 是影响开关电源效率的主要因素 ,包括 :正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低 , 因此具有更低的正向导通损耗。此外 ,肖特基二极管反向恢复时间短 , 在降低反向恢复损耗以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势。

输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波 ,但肖特基二极管应加上功率较大的散热器 ; 电容器一般应选择低 ESR(等效串联阻抗 ) 的电容。为提高输出电压的滤波效果 , 滤除开关所产生的噪声 , 在整流滤波环节的后面通常应再加一级 LCC 滤波环节。

3. 本次电源设计心得，后语

本次电源设计心得： 1－画 PCB图 布局很重要，关系到整个图

的设计。 2－焊板 主要是焊工不熟练，对贴片等元器件会容易出现虚焊的现象。

3－调试

具体设计结果